渾河沈陽段底棲動物群落特征及與環境因子的關系

丁振軍

(遼寧省生態環境監測中心，遼寧 沈陽 110161)

1 引言

渾河是遼河最大的支流，也是遼寧省內的獨立水系，發源于撫順市清原縣滾馬嶺，主要流經撫順市和沈陽市，共有148家規模以上污染源產生廢水，其中96家排入污水處理廠，52家排入河流，主要污染物為BOD、氨氮、總磷等[1]。底棲動物在水生生態系統健康評價中具有重要作用[2]，底棲動物對水質污染反應敏感，群落結構可反映生態環境的變化[3]，底棲動物群落結構與環境因子間的關系一直都是研究熱點[4～6]。目前，已有部分研究對渾河底棲動物和水質間的關系進行了探討[7，8]，但渾河底棲動物和環境因子間的關系扔需深入研究。本文選取了渾河沈陽段東陵大橋和于家房斷面2016～2020年底棲動物和環境因子數據，分析了該河段底棲動物群落結構特征及其與環境因子間的關系，為后續綜合整治工作提供參考。

2 研究方法

2.1 樣品采集

2016～2020年，渾河沈陽段共設置東陵大橋和于家房2個監測斷面。監測項目為COD、高錳酸鹽指數、BOD、氨氮、總磷和底棲動物10項，理化指標每月監測1次，底棲動物每年監測枯、豐兩個水期。底棲動物定量樣品的采集使用40目索伯網，固定于75%乙醇中，帶回實驗室鏡檢。理化指標參照《水和廢水監測分析方法》(第四版)[9]采集固定并帶回實驗室分析測定。

2.2 數據分析

2.2.1 多樣性指數

采用Shannon-Wiener多樣性指數(H′)[10]、Simpson優勢度指數(C)[11]、Margalef豐富度指數(R)[12]和Pielou均勻度指數(J)[13]對渾河沈陽段底棲動物群落結構進行分析。

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～(3)中，Pi為樣品中屬于第i種的個體比例；Pi=ni/N，其中ni為第i種物種的個體數，N為樣品的總個體數。S為物種數。

同時應用BI指數評價各斷面水質狀況[14]。

(5)

式(5)中，BI為BI生物指數值；N為物種總個體數；ni為第i個分類單元的個體數；ti為第i個分類單元的耐污值。

BI指數評價水質按個體數量和每個分類單元的耐污值將水質分為清潔、良好、輕污染、中污染和重污染五類(表1)。

表1 BI指數評價標準

2.2.2 排序分析

采用R語言(v 4.1.0)vegan包(v 2.5-7)對東陵大橋和于家房底棲動物與環境因子間關系進行排序分析。首先判斷應該采用線性模型還是單峰模型，對底棲動物數據進行去趨勢對應分析(Decentred Correspondence Analysis，DCA)，觀察結果中第一軸長度(DCA1)，若DCA1<3，則可選擇線性模型冗余分析(Redundancy Analysis，RDA)，若DCA1>4，則可選擇單峰模型典范對應分析(Canonical Correspondence Analysis，CCA)，若在3～4之間，則兩種模型均可。底棲動物及環境因子數據應先進行lg(x+1)轉換，以消除不同量綱間的影響。

3 結果與分析

3.1 種類及數量組成

渾河沈陽段共鑒定出底棲動物3門5綱42種(表2)。節肢動物門昆蟲綱種類最多，25種，占總數的50.0%，軟甲綱4種，占9.5%；軟體動物門腹足綱8種，占19.1%，瓣鰓綱4種，占9.5%；環節動物門蛭綱4種，占11.9%。

3.2 多樣性指數

由表3可知，東陵大橋斷面Shannon-Wiener指數、Simpson指數、Margalef指數呈2016～2019年上升、2020年下降的趨勢，各指數2019年最高分別為2.08、0.84、2.23；Pielou指數呈現先降后升的趨勢，2018年達到最低0.67；BI指數呈先升后降趨勢，水質主要為良好和輕污染。于家房斷面Shannon-Wiener指數、Simpson指數、Margalef指數、Pielou指數呈先升后降的趨勢，Shannon-Wiener指數、Simpson指數2018年最高分別為2.01、0.83，Margalef指數2019年最高為2.20，Pielou指數2017年最高為0.87；BI指數呈下降趨勢，2016年最高為8.08，水質從中污染上升到2020年的良好水平。

表2 渾河沈陽段底棲動物監測結果

表3 渾河沈陽段底棲動物多樣性

3.3 水質特征及CCA分析

參照《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)[15]，由表4可知，2016～2020年東陵大橋斷面水質類別為由Ⅴ類上升為Ⅲ類，Ⅴ類指標為BOD和氨氮；于家房斷面由2016年的劣Ⅴ類上升為2020年的Ⅴ類，劣Ⅴ類指標主要為氨氮和總磷。

應用去趨勢對應分析(DCA)，結果顯示第一軸長度為5.0675，大于4，適用單峰模型，故選用典范對應分析(CCA)對底棲動物和環境因子關系進行排序分析。由表5可知，前三軸特征值分別為0.7721、0.6608和0.5196，解釋比例分別為30.77%、26.33%和20.71%，累計比例分別為30.77%、57.10%和77.81%，前三軸能夠較好地解釋響應變量的總方差。德永雕翅搖蚊、喙隱搖蚊、淺白雕翅搖蚊、三帶環足搖蚊、圓眼粒龍虱與COD、高錳酸鹽指數呈較強的正相關關系，墨黑搖蚊、斑點小劃蝽與其也呈正相關關系，柔嫩雕翅搖蚊、黃蜻、七紋尾蟌、蘇氏尾鰓蚓、中華小長臂蝦、八目石蛭、日本醫蛭、梨形環棱螺、方形環棱螺、紋沼螺、小土蝸、圓頂珠蚌則與五項環境因子呈負相關關系(圖1)。

表4 2016～2020年渾河沈陽段水質類別

表5 底棲動物與環境因子間的CCA排序結果

圖1 渾河沈陽段底棲動物與環境因子間的CCA排序圖(2型標尺)

4 討論

通過對2016～2020年渾河沈陽段底棲動物和5項環境因子的監測，共監測到底棲動物3門5綱42種，節肢動物門昆蟲綱動物25種，占種類數的50.0%。BI指數評價結果顯示，東陵大橋斷面和于家房斷面均呈變好趨勢，Shannon-Wiener多樣性指數、Simpson優勢度指數、Margalef豐富度指數、Pielou均勻度指數結果與BI指數大致呈現相同趨勢，說明渾河沈陽段水質平穩向好。CCA排序分析結果顯示，德永雕翅搖蚊、喙隱搖蚊、淺白雕翅搖蚊、三帶環足搖蚊、圓眼粒龍虱等物種與COD和高錳酸鹽指數呈顯著正相關，可能是這兩項環境因子的污染耐受種。柔嫩雕翅搖蚊、黃蜻、七紋尾蟌、蘇氏尾鰓蚓、中華小長臂蝦、八目石蛭、日本醫蛭、梨形環棱螺、方形環棱螺、紋沼螺、小土蝸、圓頂珠蚌與五項環境因子呈負相關關系，說明這些物種可能是污染敏感種，種群數量易受這5項環境因子影響。